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KR101502184B1 - Single-phase single-phase Li insertion / extraction substance for use in Li-based batteries - Google Patents

Single-phase single-phase Li insertion / extraction substance for use in Li-based batteries Download PDF

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KR101502184B1
KR101502184B1 KR1020097020947A KR20097020947A KR101502184B1 KR 101502184 B1 KR101502184 B1 KR 101502184B1 KR 1020097020947 A KR1020097020947 A KR 1020097020947A KR 20097020947 A KR20097020947 A KR 20097020947A KR 101502184 B1 KR101502184 B1 KR 101502184B1
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필립 칼라치
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유미코르
상트르 나쇼날 드 라 르세르쒸 시앙티피끄
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Abstract

The invention relates to active materials for the manufacture of Li-based batteries. A crystalline nanometric powdered material with formula Lix(M, M′)PO4, in particular LixFePO4 (0≰x≰1), is disclosed, exhibiting single phase Li insertion/extraction mechanism at room temperature when used as positive electrode material in Li-based batteries. Compared to current LiFePO4, the novel material results in smooth, sloping charge/discharge voltage curves, greatly simplifying the monitoring of the state of charge of the batteries. The coexistence of mixed valence states for Fe (i.e. FeIIIVFeII) is believed to increase the electronic conductivity in the room temperature single phase LixFePO4 material, compared to state of the art two-phase materials. This, together with the nanometric size of the particles and their sharp monomodal size distribution, contributes to the exceptional high-rate capability demonstrated in batteries.

Description

Li계 배터리에 사용하기 위한 상온 단상 Li 삽입/추출 물질{ROOM TEMPERATURE SINGLE PHASE LI INSERTION/EXTRACTION MATERIAL FOR USE IN LI―BASED BATTERY}Field of the Invention [0001] The present invention relates to a single-phase single-phase Li insertion / extraction material for use in Li-based batteries,

본 발명은 결정성 나노 크기 물질, 특히 Li계 배터리에 양극 물질로 사용될 때 상온(25℃)에서 특이한 단상 Li 삽입/추출 메카니즘을 보여주는 LixFePO4(O≤x≤l) 분말에 관한 것이다.The present invention relates to a Li x FePO 4 (O? X ? L) powder which exhibits a unique single phase Li insertion / extraction mechanism at room temperature (25 ° C) when used as an anode material in crystalline nano-scale materials, particularly Li-based batteries.

Padhi 등의 최초 연구[J. Electrochem. Soc., 144, 1188 (1997)]가 발표되고 몇 년 후에 재충전가능한 리튬 베터리용의 양극 물질(positive electrode)로서의 잠재적인 후보물질로서 현재 포스포-올리바인(phospho-olivines) LiMPO4(여기서 M은 Fe, Mn, Co...임)인 것으로 보인다. 예를 들어 탄소 코팅에 의한 스마트 공정에 의해서 Li+ 이온을 LiFePO4로부터 추출하여 약 160 mAh/g, 즉 이론 용량 170 mAh/g에 근접하는 상온 용량을 유도할 수 있다. 상온 Li 삽입/추출은 LiFePO4와 FePO4 사이의 2-상(two-phase) 반응을 Li+/Li에 대해 3.45 V에서 진행시키기 위한 것으로 예를 들어 WO2004/001881에서 잘 공지되어 있다.The first study by Padhi et al. [J. Electrochem. Soc., 144, 1188 (1997)] and a few years later, as a potential candidate as a positive electrode for rechargeable lithium batteries, phospho-olivines LiMPO 4 Is Fe, Mn, Co ...). For example, a smart process with a carbon coating can extract Li + ions from LiFePO 4 to yield a room temperature capacity approaching 160 mAh / g, ie, the theoretical capacity of 170 mAh / g. Room temperature Li insertion / extraction is for two-phase reactions between LiFePO 4 and FePO 4 to proceed at 3.45 V for Li + / Li and is well known in, for example, WO 2004/001881.

다양한 탄소-코팅 LiFePO4 화합물 테스트를 수집하여 Striebel 등[J. Electrochem. Soc., 152, A664 (2005)]이 제기한 바와 같이, 매트릭스 전도율이 코팅에 의해서 개선된다고 하더라도 배터리 개발자는 50-100 nm 범위의 1차 입자 크기를 가지는 지금까지 현존하지 않는 화합물을 환영할 것이고, 또한 일반적으로 더 나은 파워 효율을 산출하기 위해 입자 크기 분포를 최소화하기 위한 시도를 해야한다는 것을 주목해야 한다.Various carbon-coated LiFePO 4 compound tests were collected and tested according to Striebel et al. [J. Electrochem. Soc., 152, A664 (2005)], even though the matrix conductivity is improved by coating, battery developers will welcome compounds that are not present until now with a primary particle size in the range of 50-100 nm , It should also be noted that there is generally an attempt to minimize the particle size distribution to yield better power efficiency.

WO2004/056702 및 WO2007/00251에서는 140-150 nm 범위 아래로 평균 입자 크기를 감소시키는 기술을 교시하고 있다. 그럼에도 불구하고, 통상의 지식을 가진 자들은 입자 크기를 상기 값 이하로 낮춤으로써 높은 파워 성능을 추가로 증가시킬 수 있다는 것을 인정하고 있다.WO2004 / 056702 and WO2007 / 00251 teach techniques for reducing average particle size below 140-150 nm. Nonetheless, those of ordinary skill in the art acknowledge that by lowering the particle size below this value, the high power performance can be further increased.

여러 연구자들, 예를 들면 Yamada 등은 [Electrochem. Solid State Let., 8, A409 (2005)] 및 US2007/0031732에서 입자 크기를 감소시키면 잘 기술된 2-상 Li 삽입/추출 특성으로부터 일부의 변형을 일으킬 수 있다는 것을 보여주었다. 실제로, 작은 입자 크기를 나타내는 물질들은 상온에서 다소의 한정된 고용체(즉 단상) 영역, 즉 Li-부족한 LixFePO4(x<0.15) 및 Li-풍부한 LiyFePO4(y>0.85)를 나타낸다. 2-상 영역(domain)의 경계를 나타내는 상기 x 및 y 한계는 특정 합성 조건과 입자 크기 둘 다에 따라서 달라질 수 있지만 매우 넓은 단상 영역을 가지는 물질은 수득하지 못하였다.Several researchers, for example, Yamada et al. [Electrochem. Solid State Let., 8, A409 (2005)] and US 2007/0031732 show that reducing the particle size can cause some deformation from well-described two-phase Li insertion / extraction properties. Indeed, materials exhibiting small particle size exhibit some limited solid solution (i.e., single phase) regions at room temperature, Li-deficient Li x FePO 4 (x < 0.15) and Li-rich Li y FePO 4 (y> 0.85). The x and y limits representing the boundaries of the two-phase domains may vary depending on both the specific synthesis conditions and the particle size, but no material with a very broad single phase region was obtained.

최근의 약 350℃ 온도에서의 완전한 단상 LixFePO4(O≤x≤l) 고용체의 발견은 Li-이온 배터리용의 캐소드 물질로서 LiFePO4의 성능에서의 이의 역할을 평가하는데 매우 중요한 자극이 되었다. 그럼에도 불구하고, x 값이 무엇이든지 간에 고용체는 상온에서 안정하지 않으므로 표준 배터리 물질로서의 실용성에는 한계가 있다는 것이 명백하게 증명되었다[Delacourt et al., Nature Mat., 4, 254 (2005); Dodd et al., Electrochem. Solid State Let., 9, A151 (2006)].The recent discovery of a single phase Li x FePO 4 (O? X ? L) solid solution at a temperature of about 350 ° C has been a very important stimulus for evaluating its role in the performance of LiFePO 4 as a cathode material for Li- . Nonetheless, whatever the x value, it is clear that the solid solution is not stable at room temperature and therefore has limited practicality as a standard battery material [Delacourt et al., Nature Mat., 4, 254 (2005); Dodd et al., Electrochem. Solid State Let., 9, A151 (2006)].

단상과 2-상 삽입/추출 메카니즘의 가장 명백한 차이는 단상 시스템의 평형 전위(EMF)는 조성-의존적인데 반하여 2-상 시스템의 평형 전위는 전제 조성 범위에 대해서 일정하다는 것이다. 따라서, 단상 전극은 충전 또는 방전 사이클 동안 경사진 전압 곡선을 보여줄 것이다; 이것은 평탄한 전압 곡선을 나타내는 시스템과 비교해 감소된 비용으로 충전 상태를 모니터링할 수 있으므로 배터리 제조업자가 선호한다.The most obvious difference between the single phase and the two-phase insertion / extraction mechanism is that the equilibrium potential of the two-phase system is constant over the entire composition range, whereas the equilibrium potential (EMF) of the single phase system is composition-dependent. Thus, a single phase electrode will exhibit a sloping voltage curve during a charge or discharge cycle; This is preferred by the battery manufacturer because it can monitor the charge status at a reduced cost compared to a system that exhibits a flat voltage curve.

또한, 2-상 시스템 LiFePO4/FePO4에서 두개의 말단 멤버들은 매우 제한된 전자 전도성을 나타내며, FePO4(Fe(III)) 또는 LiFePO4(Fe(II))에서 혼합 원자가 상태(mixed valence state)가 존재하지 않는다는 것이 현재 인정되고 있다[Delacourt et al., Electrochem. Soc., 152, A913 (2005)]. US2007/0031732에서 Chiang 등이 강조하는 것과 같이 추출 범위(deintercalation range) 내의 모든 지점에서 Fe 종류 둘 다의 갯수가 많아지면 물질에 있어서의 전자 전도성이 더 높아질 수 있다. 양호한 물질 전도성은 높은 드레인 용도(high drain applications)에 특히 유리하다.In addition, the two terminal members in the two-phase system LiFePO 4 / FePO 4 exhibit very limited electronic conductivity, and the mixed valence state in FePO 4 (Fe (III) ) or LiFePO 4 (Fe (II ) Is currently not recognized [Delacourt et al., Electrochem. Soc., 152, A913 (2005)]. As Chiang et al. In US2007 / 0031732 emphasize, the greater the number of both Fe species at all points within the deintercalation range, the higher the electronic conductivity in the material. Good material conductivity is particularly advantageous for high drain applications.

강화된 물질 전도성에 대한 동일한 요구가 각각 특허 출원 WO2008-77447 및 77448에 보고된 것과 같이 Li 배터리, 예컨대 LiMnPO4 및 Li(Fe,M)PO4(여기서 M은 Co 및/또는 Mn임)용의 유사한 활성 물질에 적용된다.Li battery, for example, LiMnPO 4, and Li (Fe, M) as the same requirements for the enhanced conductivity material respectively as reported in Patent Application No. WO2008-77447 and 77448 PO 4 (wherein M is Co and / or Mn Im) for Applicable to similar active substances.

또한 US2006/0035150 Al에서는 코팅된 LiFePO4의 제조에 있어서 Li, Fe 및 포스페이트의 공급원을 폴리카르복시산 및 다가 알콜과 함께 수용액에 용해한다. 물이 증발되면 Li, Fe 및 포스페이트를 함유하는 혼합 침전물이 형성되면서 폴리에스테르화가 발생한다. 그 후, 수지-캡슐화된 혼합물을 환원 분위기에서 700℃로 열 처리한다.In the US2006 / 0035150 Al and dissolving a source of Li, Fe and phosphate in the manufacture of coated LiFePO 4 in the polycarboxylic acid and polyhydric alcohol together with an aqueous solution. When the water is evaporated, a mixed precipitate containing Li, Fe and phosphate is formed and polyesterification occurs. The resin-encapsulated mixture is then heat treated at 700 [deg.] C in a reducing atmosphere.

WO2007/000251 Al에는 결정성 LiFePO4 분말을 제조하는 직접 침전 방법이 기재되어 있으며, 하기 단계를 포함한다:WO 2007/000251 Al describes a direct precipitation method for producing crystalline LiFePO 4 powder, comprising the steps of:

- 전구물질 성분으로서 Li(I), Fe(II) 및 P(V), 그리고 수혼화성 끓는점 상승 첨가제(water-miscible boiling point elevation additive)를 함유하는 pH 6 내지 10의 수계 혼합물을 제공하는 단계; 및- providing a water-based mixture of pH 6 to 10 containing precursor components Li (I) , Fe (II) and P (V) and a water-miscible boiling point elevation additive; And

- 상기 수계 혼합물을 대기압에서 이의 끓는점 이하의 온도로 가열하여 결정성 LiFePO4 분말을 침전시키는 단계.- heating said aqueous mixture to a temperature below its boiling point at atmospheric pressure to precipitate crystalline LiFePO 4 powder.

좁은 분포의 매우 미세한 50 내지 200 nm 입자 크기가 수득된다.A very fine 50 to 200 nm particle size with narrow distribution is obtained.

US2004/0175614 Al에서는 하기 단계를 포함하는 LiFePO4의 제조 방법이 개시되어 있다:US 2004/0175614 Al discloses a process for preparing LiFePO 4 comprising the following steps:

- Li1+, Fe3+ 및 PO4 3-의 등몰 수용액을 제공하는 단계;Providing an equimolar aqueous solution of Li 1 + , Fe 3 + and PO 4 3- ;

- 상기 용액으로부터 물을 증발시켜 고체 혼합물을 제조하는 단계;- evaporating water from said solution to produce a solid mixture;

- 500℃ 이하의 온도에서 상기 고체 혼합물을 분해하여 순수한 균질의 Li 및 Fe 포스페이트 전구물질(precursor)을 형성하는 단계; 및- decomposing the solid mixture at a temperature below 500 ° C to form pure homogeneous Li and Fe phosphate precursors; And

- 환원 분위기의 800℃ 이하 온도에서 전구물질을 어닐링(annealing)하여 LiFePO4 분말을 형성하는 단계.- Annealing the precursor at a temperature of less than 800 ° C in a reducing atmosphere to form LiFePO 4 powder.

수득된 분말의 입자 크기는 1 ㎛ 이하이다.The particle size of the obtained powder is 1 占 퐉 or less.

Delacourt 등의 Solid State Ionics 173 (2004) 113-118에는 Li 배터리용의 포스페이트 상의 순수한 분말 침전을 지배하는 열역학 및 동역학 메카니즘이 개시되어 있다. 최적의 전극은 FeIII-함유 수용액의 증발로 제조되는 LiFePO4 표면에서 화학적 전도성 탄소 코팅을 통해서 합성된다.Solid State Ionics 173 (2004) 113-118 of Delacourt et al. Discloses thermodynamic and kinetic mechanisms dominating pure powder precipitation on phosphate for Li batteries. The optimum electrode is synthesized through a chemically conductive carbon coating on the LiFePO 4 surface prepared by evaporation of Fe III - containing aqueous solution.

개시된 방법은 종래 물질의 전도성 보다 더 높은 전도성을 가지는 물질을 제공하고, 충전 상태의 모니터링 문제를 해결하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a material having a conductivity higher than the conductivity of a conventional material and to solve the problem of monitoring the state of charge.

이를 위해서 활성 성분으로서 Lix(M,M')PO4(O≤x≤l)를 포함하며, 상기에서 M은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택된 1개 이상의 양이온이며, M'는 Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어지 군으로부터 선택되는 선택적인 치환 양이온(optional substitutional cation)인 분말형 Li 삽입/추출 물질을 개시하였으며, 상기 물질은, 0.2 내지 0.8의 범위에서 변화하는 x에 대해, Li 삽입/추출 동안 25℃에서 열역학적으로 안정한 단상 물질(single phase material)인 것이 특징이다. 상기 화학식에서 M은 Fe인 것이 바람직하며; 또한 M'에 대한 M의 몰 비율은 5 이상, 바람직하게는 8 이상인 것을 권장한다. M이 Fe이며, M/M'>5인 경우 본 발명의 물질은 통상적으로 결정학적 셀 부피가 291 ų미만, 바람직하게는 290 ų이하, 보다 바람직하게는 289 ų이하이다. 상기 부피는 Pmna 또는 Pmnb 공간군(space group)을 사용하여 XRD 측정으로부터 추론한다.Wherein M is at least one cation selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and wherein the active component comprises Li x (M, M ') PO 4 M 'is an optional substitutional cation selected from the group consisting of Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, An insert / extract material is disclosed which is characterized by being a single phase material thermodynamically stable at 25 占 폚 during Li insertion / extraction, for x varying from 0.2 to 0.8. In the above formula, M is preferably Fe; It is also recommended that the molar ratio of M to M 'be 5 or more, preferably 8 or more. When M is Fe and M / M '> 5, the material of the present invention typically has a crystallographic cell volume of less than 291 Å, preferably less than 290 Å, more preferably less than 289 Å. The volume is deduced from XRD measurements using the Pmna or Pmnb space group.

본 발명의 물질은 바람직한 입자 크기 분포 d50이 50 nm 이하, 바람직하게는 10 내지 50 nm인 분말이다. d99는 300 nm 이하, 바람직하게는 200 nm 이하를 권장한다. 또한 (d90-d10)/d50이 1.5 이하, 바람직하게는 1.2 이하인 모노-모달(mono-modal) 입자 크기 분포를 권장한다.The material of the present invention is a powder having a preferred particle size distribution d50 of 50 nm or less, preferably 10 to 50 nm. d99 is preferably 300 nm or less, preferably 200 nm or less. Also, a mono-modal particle size distribution with a (d90-d10) / d50 of less than or equal to 1.5, preferably less than or equal to 1.2 is recommended.

본 발명의 또 다른 측면은 상기에서 기재한 Lix(M,M')PO4 물질의 합성 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:Another aspect of the present invention relates to a method of synthesizing the Li x (M, M ') PO 4 material described above. The method comprises the steps of:

- Li(I) 및 P(V)로서 도입되는 Li 및 P 전구물질, 및 양극성(즉 수혼화성) 비양성자성 첨가제를 함유하는 pH 6 내지 10의 제1 수계 혼합물을 제공하는 단계; Providing a first aqueous mixture of pH 6 to 10 containing Li and P precursors introduced as Li (I) and P (V) , and a bipolar (i.e., water-miscible) non-protonic additive;

- 상기 제1 수계 혼합물에 M' 전구물질과 M(II)로서의 M 전구물질을 첨가하여 제2 수계 혼합물을 수득하는 단계; 및Adding M ' precursor and M precursor as M (II) to said first aqueous mixture to obtain a second aqueous mixture; And

- 대기압에서 이의 끓는점 이하의 온도로 상기 제2 수계 혼합물을 가열하여 분말형 Li 삽입/추출 물질을 침전(precipitation)시키는 단계.- heating said second aqueous mixture to a temperature below its boiling point at atmospheric pressure to precipitate the powdered Li insertion / extraction material.

바람직한 실시양태에서 Li(I)는 LiOH.H2O로서 도입하며, P(V)는 H3PO4로서 도입한다. LiOH.H2O 및 H3PO4를 적당한 비율로 사용하여 제1 혼합물의 pH를 조정하는 것이 타당하다. 또한 본 방법은 Lix(M,M')PO4 합성을 포함하며, 상기에서 M=Fe이며, M'는 없고, 제1 수계 혼합물의 pH는 6.5 내지 8이며, 바람직하게는 6.5 내지 7.5이다.In a preferred embodiment Li (I) is introduced as LiOH.H 2 O and P (V) is introduced as H 3 PO 4 . It is appropriate to adjust the pH of the first mixture using LiOH.H 2 O and H 3 PO 4 in appropriate proportions. The method also includes the synthesis of Li x (M, M ') PO 4 wherein M = Fe, M' is absent and the pH of the first aqueous mixture is 6.5 to 8, preferably 6.5 to 7.5 .

양극성 비양성자성 첨가제(bipolar aprotic additive)를 선택하고, 투여하여 제2 수계 혼합물의 대기 끓는점을 100 내지 150℃, 바람직하게는 105 내지 120℃로 올리는 것이 바람직하다. 디메틸설폭사이드는 바람직한 첨가제이다. 제1 수계 혼합물은 디메틸설폭사이드를 5 내지 50 몰%, 바람직하게는 10 내지 30 몰% 함유한다.It is preferable to select and administer a bipolar aprotic additive to raise the atmospheric boiling point of the second aqueous mixture to 100 to 150 캜, preferably 105 to 120 캜. Dimethyl sulfoxide is a preferred additive. The first aqueous mixture contains 5 to 50 mol%, preferably 10 to 30 mol%, of dimethylsulfoxide.

보다 더 바람직한 실시양태에서, 침전되는 분말형 Li 삽입/추출 물질은 650℃ 이하, 바람직하게는 300℃ 이상 온도의 비-산화 조건에서 이를 가열하여 열적으로 후-처리된다.In a more preferred embodiment, the precipitated powdery Li intercalation / extraction material is thermally post-treated by heating it at a temperature of 650 ° C or less, preferably 300 ° C or more, at non-oxidizing conditions.

보다 더 바람직한 실시양태에서 전자 전도성 물질 또는 이의 전구물질을 제1 수계 혼합물, 제2 수계 혼합물 및 분말 중 1개 이상에 열적으로 후-처리하기 이전에 첨가한다. 전자 전도성 물질은 바람직하게 탄소, 특히 전도성 탄소 또는 탄소 섬유일 수 있으며, 전자 전도성 물질의 전구물질은 탄소계 중합가능한 구조일 수 있다.In an even more preferred embodiment, the electron conductive material or precursor thereof is added prior to thermally post-treating at least one of the first aqueous mixture, the second aqueous mixture and the powder. The electron conductive material may preferably be carbon, in particular conductive carbon or carbon fiber, and the precursor of the electron conductive material may be a carbon-based polymerizable structure.

본 발명의 또 다른 측면은 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하는 2차 Li계 배터리에 관한 것이며, 상기 캐소드는 상기에서 기재한 물질을 포함한다.Yet another aspect of the present invention relates to a secondary Li-based battery comprising an anode, an electrolyte and a cathode, wherein the cathode comprises the material described above.

본 발명의 또 다른 측면은 상기에서 기재한 물질을 포함하는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스(electrode mix)에 관한 것이다.Yet another aspect of the present invention relates to an electrode mix for secondary Li-based batteries comprising the materials described above.

제1 실시양태는 본 발명의 물질 중 80 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 액체 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스에 관한 것이며, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량(약 170 mAh/g)의 75% 이상의 가역 용량을 갖는다. 전극 혼합물에서 첨가제(바인더 및 탄소)의 양은 20 중량% 이하, 바람직하게는 10 중량% 이하로 제한할 수 있으며, 이는 집전체(current collector) 상에 부착(paste)되는 혼합물은 상기 타입의 배터리에 있어서의 자기-지지형(self-supporting)일 필요는 없기 때문이다.The first embodiment relates to an electrode mix for a secondary Li-based battery having a non-aqueous liquid electrolyte comprising at least 80% by weight of the substance of the present invention, and is characterized in that Li + / Li Has a reversible capacity of 75% or more of the theoretical capacity (about 170 mAh / g) when used as the active ingredient in the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V for The amount of the additive (binder and carbon) in the electrode mixture may be limited to 20% by weight or less, preferably 10% by weight or less, because the mixture to be pasted on the current collector Since it does not have to be self-supporting.

제2 실시양태는 본 발명의 물질 중 80 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 겔 유사 폴리머 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스에 관한 것으로서, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량의 75% 이상의 가역 용량을 갖는다. 전극 혼합물에서의 첨가제의 양은 상기 경우에 20 중량% 만큼 높일 수 있으며, 이는 집전체에 적층되는 시트 형태로 롤링되는 혼합물이 상기 타입의 배터리의 어셈블리 동안 자기-지지형일 필요가 있기 때문이다.The second embodiment, the non-containing at least 80% by weight of the substances of the present invention relates to an electrode mix for secondary Li-based battery has an aqueous gel similar to the polymer electrolyte, from 25 ℃ to-discharge rate of 0.1 C Li + / RTI &gt; of the theoretical capacity when used as the active ingredient in the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V relative to the theoretical capacity. The amount of additive in the electrode mixture may be as high as 20% by weight in this case because the mixture to be rolled into sheets laminated to the current collector needs to be self-supporting during assembly of the battery of this type.

제3 실시양태는 본 발명의 물질 중 70 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 건조 폴리머 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스에 관한 것으로서, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량의 75% 이상의 가역 용량을 갖는다. A third embodiment relates to an electrode mix for a secondary Li-based battery having a non-aqueous dry polymer electrolyte comprising at least 70% by weight of the material of the present invention, wherein Li + / Has a reversible capacity of at least 75% of the theoretical capacity when used as the active component in the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V relative to Li.

추가의 실시양태는 활성 성분으로서 나노 크기(nanometric) 분말형 Lix(M,M')PO4(O≤x≤l)를 포함하는 전극을 구비하는 2차 Li계 배터리에 관한 것으로서, 상기에서 M은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택된 1개 이상의 양이온이며, M'는 Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어지 군으로부터 선택되는 선택적인 치환 양이온이며, 25℃에서 배터리의 EMF에의 상기 전극의 기여(contribution)는, 0.2에서 0.8 범위까지 변화하는 x에 대해, 0.05 V 이상으로 충전 상태에 따라 연속적으로 변화하는 것이 특징이다. 상기 화학식에서 M은 Fe인 것이 바람직하며; 또한 M'에 대한 M의 몰 비율은 5 이상, 바람직하게는 8 이상인 것을 권장한다. M이 Fe이며, M/M'>5인 경우 상기 나노 크기 분말형 활성 성분은 통상적으로 결정학적 셀 부피가 291 ų미만, 바람직하게는 290 ų이하, 보다 바람직하게는 289 ų이하이다. 상기 부피는 Pmna 또는 Pmnb 공간군을 사용하여 XRD 측정으로부터 추론한다.A further embodiment is directed to a secondary Li-based battery having an electrode comprising as an active ingredient a nanometric powdered Li x (M, M ') PO 4 (O? X? L) M is at least one cation selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni and Cu; M 'is at least one cation selected from the group consisting of Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, And Sn, and the contribution of the electrode to the EMF of the battery at 25 DEG C is greater than 0.05 volts for x varying from 0.2 to 0.8 depending on the state of charge It is characterized by continuous change. In the above formula, M is preferably Fe; It is also recommended that the molar ratio of M to M 'be 5 or more, preferably 8 or more. When M is Fe and M / M '> 5, the nanoscale powdery active ingredient usually has a crystallographic cell volume of less than 291 Å, preferably less than 290 Å, more preferably less than 289 Å. The volume is deduced from XRD measurements using Pmna or Pmnb space groups.

"EMF의 연속적 변화(continuously varying EMF)"라는 것은 연속적으로 경사진 충전/방전 전압 곡선을 의미한다. 본 발명에 따른 이러한 경사는 삽입/추출된 Li 당 5 mV 이상, 바람직하게는 삽입/추출된 Li 당 15 mV 이상에 달하며, 상기는 완전한 충전/방전 사이클을 따른다."Continuously varying EMF" means a continuously sloped charge / discharge voltage curve. Such inclination according to the invention amounts to at least 5 mV per inserted / extracted Li, preferably at least 15 mV per inserted / extracted Li, which follows a full charge / discharge cycle.

상기 나노 크기 분말형 활성 성분은 50 nm 이하, 바람직하게는 10 내지 50 nm의 d50의 바람직한 입자 크기 분포를 가진다. d99는 300 nm 이하, 바람직하게는 200 nm 이하를 권장한다. 또한 (d90-d10)/d50 비율이 1.5 이하, 바람직하게는 1.2 이하인 모노-모달 입자 크기 분포를 권장한다.The nanoscale powdered active ingredient has a preferred particle size distribution of d50 of 50 nm or less, preferably 10 to 50 nm. d99 is preferably 300 nm or less, preferably 200 nm or less. Also, a mono-modal particle size distribution with a (d90-d10) / d50 ratio of no more than 1.5, preferably no more than 1.2 is recommended.

본 발명의 물질에서 M 및 M'는 적어도 부분적으로 교환될 수 있으나 반면에 전기적 중성 규칙에 관해서는 Li(I), M(II), M'(I) 내지 (v), 및 P(v)로 가정한다. (I) , M (II) , M ' (I) to (V) , and P (V) for the electrical neutrality rule, while M and M' in the material of the present invention can be at least partially exchanged . .

10 nm 보다 미세한 생성물은 특별히 추천하지 않으며, 전극 제조 중에 가공성 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.A product finer than 10 nm is not particularly recommended, because it may cause processability problems during electrode production.

본 발명의 공정에 따르면, 제1 수계 혼합물의 pH는 불순물로서 Li3PO4의 침전을 피하기 위해서 6 내지 10, 바람직하게는 6 내지 8이다.According to the process of the present invention, the pH of the first aqueous mixture is from 6 to 10, preferably from 6 to 8, in order to avoid precipitation of Li 3 PO 4 as an impurity.

침전물 핵형성 동역학을 증가시켜 상온 단상 Li 삽입/추출 LixFePO4(O≤x≤l) 나노 크기 입자의 크기를 감소시키는 보조-용매(co-solvent)로서 양극성 첨가제를 사용한다. 양극성, 즉 물과 혼화가능한 것에 더하여 유용한 보조-용매는 비양성자성이여야 하며, 즉 수소 이온의 방출에 의해서 일어나는 분리가 완벽하게 없거나 아주 적어야 한다. 에틸렌 글리콜과 같은 복합 또는 킬레이팅 특성을 보여주는 보조-용매는 적당하지 않으며, 이것은 LixMPO4의 침전 동역학을 감소시켜 더 큰 입자 크기를 유도하기 때문이다. 적당한 양극성 비양성자성 용매는 디옥산, 테트라히드로푸란, N-(C1-C18-알킬)피롤리돈, 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 지방족 C1-C6-카르복시산의 C1-C4-알킬에스테르, C1-C6-디알킬 에테르, 지방족 C1-C4-카르복시산의 N,N-디-(C1-C4-알킬)아미드, 설포란, 1,3-디-(C1-C8-알킬)-2-이미다졸리디논, N-(C1-C8-알킬)카프로락탐, N,N,N',N'-테트라-(C1-C8-알킬)우레아, 1,3-디-(C1-C8-알킬)-3,4,5,6-테트라히드로-2(lH)-피리미돈, N,N,N',N'-테트라-(C1-C8-알킬)설파미드, 4-포르밀몰포린, 1-포르밀피페리딘 또는 1-포르밀피롤리딘, 특히 N-(C1-C18-알킬)피롤리돈, 지방족 C1-C4-카르복시산의 N,N-디-(C1-C4-알킬)이미드, 4-포르밀몰포린, 1-포르밀피페리딘 또는 1-포르밀피롤리딘, 바람직하게는 N-메틸피롤리돈(NMP), N-옥틸피롤리돈, N-도데실피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세타미드, 4-포르밀몰포린, 1-포르밀피페리딘 또는 1-포르밀피롤리딘, 특히 바람직하게는 N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세타미드 또는 헥사메틸포스포르아미드이다. 다른 대안물, 예컨대 테트라알킬 우레아도 또한 가능하다. 상기에서 언급한 양극성 비양성자성 용매의 혼합물도 또한 사용할 수 있다. 바람직한 실시양태에서 디메틸설폭사이드(DMSO)를 용매로서 사용한다.A bipolar additive is used as co-solvent to reduce the size of single-phase single-phase Li insertion / extraction Li x FePO 4 (O? X ? L) nano-sized particles by increasing the precipitation nucleation kinetics. In addition to being amphoteric, i.e. miscible with water, useful secondary-solvents must be aprotic, i.e. the separation caused by the release of hydrogen ions must be completely absent or very small. Co-solvents that exhibit complex or chelating properties, such as ethylene glycol, are not suitable, because they reduce the precipitation kinetics of Li x MPO 4 leading to larger particle sizes. Suitable bipolar aprotic solvents include dioxane, tetrahydrofuran, N- (C 1 -C 18 -alkyl) pyrrolidone, ethylene glycol dimethyl ether, C 1 -C 4 -alkyl of aliphatic C 1 -C 6 -carboxylic acid ester, C 1 -C 6 - dialkyl ether, an aliphatic C 1 -C 4 - carboxylic acid in N, N- di - (C 1 -C 4 - alkyl) amide, sulfolane, 1,3-di - (C 1 -C 8 - alkyl) -2-imidazolidinone, N- (C 1 -C 8 - alkyl) caprolactam, N, N, N ', N'- tetra - (C 1 -C 8 - alkyl) urea (C 1 -C 8 -alkyl) -3,4,5,6-tetrahydro-2 (1H) -pyrimidone, N, N, N ', N'- 1 -C 8 - alkyl) sulfamide, 4-formyl morpholine milmol, 1-piperidine or 1-formyl formate Milpitas Milpitas pyrrolidine, especially N- (C 1 -C 18 - alkyl) pyrrolidone, an aliphatic C 1 - C 4 - carboxylic acid in N, N- di - (C 1 -C 4 - alkyl) N- imide, 4-formyl morpholine milmol, 1-piperidine or 1-formyl formate Milpitas Milpitas pyrrolidine, preferably methylpiperidin (NMP), N-octylpyrrolidone, N-dodecylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide N, N-dimethylacetamide, 4-formamorpholine, 1-formylpiperidine or 1-formylpyrrolidine, particularly preferably N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylacetamide or hexamethylphosphoramide. Other alternatives, such as tetraalkylureas, are also possible. Mixtures of the above-mentioned bipolar aprotic solvents may also be used. In a preferred embodiment, dimethylsulfoxide (DMSO) is used as the solvent.

신규의 상온 단상 삽입/추출 물질이 25℃ 보다 아주 낮은, 예컨대 10℃ 보다 낮은 온도에서 2-상 시스템을 유도할 수도 있다는 것을 배제할 수 없다. 그러나, 이러한 상 전이는 가역적이여야 한다. 따라서, 이의 영향은 대부분의 실제 환경에서 배터리 작동에 단지 최소한의 영향만을 준다.It can not be excluded that the new room-temperature single phase insert / extract material may induce a two-phase system at temperatures much lower than 25 캜, such as lower than 10 캜. However, this phase transition must be reversible. Therefore, its effect has only minimal impact on battery operation in most real-world environments.

개시한 방법은 극소량(traces)의 Fe(III)를 함유할 수 있는 최초 물질을 유도한다. 나노 크기의 입자 크기 때문에 몇몇 Fe(III)는 물질 표면에서 화학량론으로부터의 편차(deviation)로부터 발생할 수 있다. Fe(III)의 존재는 또한 결정 입계(grain boundaries) 또는 결정 표면에서의 제2 비결정 상, 즉 LiFePO4(OH) 또는 FePO4.nH2O 때문일 수도 있다. 통상의 지식을 가진 자들은 환원 분위기하의 작동으로 또는 히드라진 또는 SO2와 같은 환원제의 의존에 의해서 Fe(III)를 최소화시킬 수 있다. 초기 물질에서의 가능한 Li 부족은 또한 환경이 필요한 Li를 제공할 수 있다면(많은 실제 배터리의 경우에서 처럼) 베터리의 제1의 완전한 방전 사이클 중에 보상될 수 있다.The disclosed method leads to a starting material that can contain traces of Fe (III) . Because of the nanoscale particle size, some Fe (III) can arise from deviations from stoichiometry at the material surface. The presence of Fe (III) may also be due to grain boundaries or a second amorphous phase at the crystal surface, LiFePO 4 (OH) or FePO 4 .nH 2 O. Those of ordinary skill in the art can minimize Fe (III) by operation under reducing atmosphere or by dependence of a reducing agent such as hydrazine or SO 2 . A possible lack of Li in the starting material can also be compensated during the first complete discharge cycle of the battery (as in many real batteries) if the environment can provide the necessary Li.

종래의 LiFePO4 물질과 비교해서 본 발명의 물질의 이점은 하기와 같다:The advantages of the materials of the present invention compared to conventional LiFePO 4 materials are as follows:

- 경사진 충전/방전 곡선으로 간단한 전위 측정에 의해서 충전 상태를 직접 모니터링할 수 있으며;- slope charge / discharge curves that allow you to monitor the charge status directly by simple potential measurement;

- 나노 크기의 입자 크기로 입자 내의 Li 이온 수송으로 인한 동역학적 한계를 완화시키고, 배터리의 충전/방전을 신속하게 처리할 수 있으며;- Nanoscale particle size mitigates the kinetic limitations due to the transport of Li ions in the particles and allows fast charge / discharge of the battery;

- 좁은 입자 크기 분포로 인해 배터리 내의 전류 분포가 균질하게 되며; 이는 또한 높은 충전/방전율에서도 특히 중요하며, 미세한 입자는 조대 입자 보다 더 많이 고갈될 수 있으며, 이 현상은 입자의 궁극적인 열화 및 사용시 배터리 용량이 페이딩을 유도하며; 좁은 입자 크기 분포는 또한 전극의 제조를 촉진시키고; 그리고A narrow particle size distribution results in homogeneous current distribution within the battery; This is also particularly important at high charge / discharge ratios, where fine particles can be depleted more than coarse particles, which ultimately leads to particle degradation and battery capacity fading during use; The narrow particle size distribution also facilitates the production of electrodes; And

- Fe(즉 Fe(III)/Fe(II))에 있어서의 혼합 원자가 상태가 공존하며, 이것은 (l-x)FePO4+xLiFePO4(O≤x≤l)로 나타내는 종래의 2-상 물질과 비교해서 상온 단상 LixFePO4 물질의 전자 전도성을 증가시키는 것으로 믿어진다.- Fe ( III) / Fe (II) coexist, which is comparable to the conventional two-phase material represented by (lx) FePO 4 + xLiFePO 4 , Which is believed to increase the electronic conductivity of the room temperature single phase Li x FePO 4 material.

도 1: 경사 전압 곡선을 나타내는 25℃ 및 C/20 레이트에서의 본 발명의 물질의 정전류 충전/방전 곡선. 플롯은 정규화 용량(normalized capacity)의 함수로서 배터리 전압을 보여주며; 0% 충전 상태(SOC)는 개시 LiFePO4 물질에 대응하고, 반면에 100%는 충전된 탈리튬된 FePO4 물질에 대응한다.Figure 1: Constant current charge / discharge curves of the material of the present invention at 25 ° C and C / 20 rate showing a ramp curve. The plot shows the battery voltage as a function of the normalized capacity; The 0% state of charge (SOC) corresponds to the starting LiFePO 4 material, while 100% corresponds to the charged de-lithiated FePO 4 material.

도 2: 실시예 생성물의 FEG-SEM 사진으로 작은 입자 크기와 좁은(sharp) 입자 크기 분포를 보여준다.Figure 2: FEG-SEM photograph of the Example product showing small particle size and sharp particle size distribution.

도 3: 실시예 생성물에 있어서의 용적 입자 크기 분포와 누적 분포(% 대 nm)는, d50 값이 약 45 nm인 반면에 (d90-d10)/d50으로 규정되는 상대적인 스팬은 약 1.2(d10=25 nm, d90=79 nm)인 것을 보여준다.Figure 3: Example The volumetric particle size distribution and the cumulative distribution (% vs. nm) of the product are approximately 45 nm for d50, while the relative span defined by (d90-d10) / d50 is approximately 1.2 (d10 = 25 nm, d90 = 79 nm).

도 4: 본 발명의 물질에 있어서 상이한 충전 상태 및 25℃에서 기록된 인시추 XRD; 0% 충전 상태(SOC)는 개시 LiFePO4 물질에 대응하고, 반면에 100%는 충전된 탈리튬된 FePO4 물질(charged delithiated FePO4 material)에 대응한다.Figure 4: In situ XRD recorded at 25 DEG C and different charge states for the material of the present invention; 0% state of charge (SOC) corresponds to the start of LiFePO 4 material and, on the other hand, 100% corresponds to the charged deionized Li FePO 4 material (FePO 4 delithiated charged material).

도 5: 상이한 충전 상태 및 25℃에서 측정하여 기록한 인시추 XRD로부터 계산된 LixFePO4(O≤x≤l)에 있어서의 셀 파라미터의 조성물의 전개(evolution). 이는 1 에서 0으로 리튬 농도가 변화됨에 따라 셀 파라미터의 제한된 값 사이에서의 연속적인 변화에 의한 LiFePO4 및 FePO4 사이의 연속적 고용체를 명확하게 보여준다.Figure 5: Evolution of the composition of the cell parameters in Li x FePO 4 (O? X ? L) calculated from the in situ XRD recorded at different charge states and measured at 25 ° C. This clearly shows the continuous solid solution between LiFePO 4 and FePO 4 due to a continuous change between the limited values of the cell parameters as the lithium concentration changes from 1 to 0.

도 6: 일정한 전압 곡선을 나타내고 있는 25℃ 및 C/20 레이트에서의 종래 물질 상태의 정전류 충전/방전 곡선(galvanostatic charge/discharge curve). 플롯은 정규화된 용량의 함수로서 배터리 전압을 보여주며; 0% 충전 상태(SOC)는 개시 LiFePO4 물질에 대응하고, 반면에 100%는 충전된 탈리튬된 FePO4 물질에 대응한다.FIG. 6: Galvanostatic charge / discharge curve of conventional material state at 25 ° C and C / 20 rate exhibiting a constant voltage curve. The plot shows the battery voltage as a function of the normalized capacity; The 0% state of charge (SOC) corresponds to the starting LiFePO 4 material, while 100% corresponds to the charged de-lithiated FePO 4 material.

도 7: 종래의 생성물에 대한 상이한 충전 상태에서 기록된 인시추 XRD; 0% 충전 상태(SOC)는 개시 LiFePO4 물질에 대응하고, 반면에 100%는 충전된 탈리튬된 FePO4 물질에 대응한다.Figure 7: In situ XRD recorded at different charge states for conventional products; The 0% state of charge (SOC) corresponds to the starting LiFePO 4 material, while 100% corresponds to the charged de-lithiated FePO 4 material.

도 8: 상이한 충전 상태에서 기록한 인시추 XRD로부터 계산된 (1-x)FePO4+xLiFePO4(O≤x≤l)에 있어서의 셀 파라미터 조성물의 전개. 이는 종래의 2-상 시스템을 명확하게 보여주며, 각 말단 맴버의 비율은 물질 중의 리튬 농도에 따라 변화한다.Figure 8: Development of the cell parameter composition in (1-x) FePO 4 + xLiFePO 4 (O? X? L) calculated from the in situ XRD recorded under different charge states. This clearly shows the conventional two-phase system, the ratio of each terminal member varying with the lithium concentration in the material.

본 발명은 하기 실시예로 추가 설명한다.The present invention is further illustrated by the following examples.

제1 단계에서 DMSO를 교반하에 H2O로 희석된 0.1 M H3PO4 용액에 첨가한다. DMSO의 양을 조정하여 50 부피% 물 및 50 부피% DMSO의 전체 조성물(global composition)을 만든다.In the first step, DMSO is added to the 0.1 MH 3 PO 4 solution diluted with H 2 O under stirring. The amount of DMSO is adjusted to make a global composition of 50 vol% water and 50 vol% DMSO.

제2 단계에서 0.3 M LiOH.H2O 수용액을 25℃에서 소정의 양으로 첨가하여 pH를 6.5 내지 7.5 사이의 값까지 올리고 Li3PO4의 침전을 유도한다. In the second step, an aqueous solution of 0.3 M LiOH.H 2 O is added at 25 캜 in a predetermined amount to raise the pH to a value between 6.5 and 7.5, leading to the precipitation of Li 3 PO 4 .

제 3 단계에서 FeSO4.7H2O의 0.1 M Fe(II) 용액을 25℃에 첨가한다. 이로 인해서 Li3PO4의 재-용해가 유도된다. 용액 중의 최종 Li:Fe:P 비율은 3:1:1에 근접한다. 용액의 pH를 6.5 내지 7.5 사이의 특정 값으로 설정한 후에 Fe(II) 전구물질을 첨가함으로써 Fe-종(species)의 제어된 침전을 실행시킬 수 있으며 그 결과 종래기술에서 수득한 것보다 훨씬 작은 입자 크기를 수득할 수 있다.In the third step, a 0.1 M Fe (II) solution of FeSO 4 .7H 2 O is added at 25 ° C. This leads to re-dissolution of Li 3 PO 4 . The final Li: Fe: P ratio in the solution is close to 3: 1: 1. Controlled precipitation of Fe-species can be performed by adding the Fe (II) precursor after setting the pH of the solution to a specific value between 6.5 and 7.5, resulting in a much smaller The particle size can be obtained.

제 4 단계에서 용액의 온도를 108 내지 110℃인 용매 끓는점까지 증가시킨다. 6 시간 후에 수득된 침전물을 여과하고 물로 완전하게 세척한다.In the fourth step, the temperature of the solution is increased to the boiling point of the solvent at 108 to 110 ° C. The precipitate obtained after 6 hours is filtered and washed thoroughly with water.

분말 침전물은 XRD 측정에 따르면 순수한 결정 LiFePO4이다. XRD 패턴 (Pmnb 공간군) 상에서 실행된 완전 패턴 일치 정련법(full pattern matching refinement)으로 셀 파라미터 a=10.294 Å, b=5.964 Å 및 c=4.703 Å가 유도되며 이것은 결정학적 셀 부피 288.7 ų에 상응한다. 도 2의 FEG-SEM 사진으로 30 내지 60 nm 범위의 단분산의 작은 결정 입자를 볼 수 있다. 생성물의 용량 입자 크기 분포는 이미지 분석을 사용하여 측정하였다. 도 3에서 나타낸 것과 같이 d50 값은 약 45 nm이며, 반면에 (d90-d10)/d50으로 규정되는 상대적인 스팬은 약 1.2(d10=25 nm, d90=79 nm)이다.The powder precipitate is pure crystalline LiFePO 4 according to XRD measurements. The full parameter matching refinement performed on the XRD pattern (Pmnb space group) leads to cell parameters a = 10.294 Å, b = 5.964 Å and c = 4.703 Å, corresponding to a crystallographic cell volume of 288.7 Å do. The FEG-SEM photograph of FIG. 2 shows monodisperse small crystal grains in the range of 30 to 60 nm. The volume particle size distribution of the product was measured using image analysis. As shown in FIG. 3, the d50 value is about 45 nm, while the relative span defined by (d90-d10) / d50 is about 1.2 (d10 = 25 nm, d90 = 79 nm).

N-메틸 피롤리돈(NMP)에 10 중량% 카본 블랙 및 10 중량% PVDF와 상기에서 기재한 방법으로 수득되는 LiFePO4 분말을 혼합하여 슬러리를 제조하고, 집전체로서 Al 호일 상에 피착시킨다. 80 중량% 활성 물질을 함유하는 수득된 전극을 6 mg/㎠ 활성 물질의 로딩(loading)을 사용하여 코인 셀을 제조하기 위해 사용한다. 음극은 금속 Li로 제작된다. 코인 셀은 2.5 내지 4.0 V 사이의 LiBF4계 전해질에서 사이클된다. 도 1에서는 사이클링 시 단상 Li 삽입/추출 메카니즘을 보여주는 경사진 전압 곡선으로 낮은 레이트에서 높은 가역 용량이 수득된다는 것을 보여준다. 도 1의 곡선은 정전류 조건에서 기록되었으며, 따라서 전극의 EMF에 근접한다는 점에 주목하여야 한다. 이러한 경우에 EMF는 Li 삽입/추출 함수로서 연속적으로 변화하며; 이에 따라 도면에서 보다는 약간 적을 수도 있지만 EMF 곡선의 경사는 확실하게 제로는 아니다.A slurry is prepared by mixing 10 wt% carbon black and 10 wt% PVDF in N-methylpyrrolidone (NMP) and LiFePO 4 powder obtained by the method described above, and is deposited on an Al foil as a current collector. The obtained electrode containing 80 wt% active material is used to make a coin cell using loading of 6 mg / cm &lt; 2 &gt; active material. The cathode is made of metal Li. The coin cells are cycled in LiBF 4 based electrolytes between 2.5 and 4.0 V. Figure 1 shows that a high reversible capacity is obtained at low rates with a sloping voltage curve showing the single phase Li insertion / extraction mechanism during cycling. It should be noted that the curve of Figure 1 was recorded under constant current conditions and therefore is close to the EMF of the electrode. In this case, the EMF continuously changes as a Li insertion / extraction function; Thus, the slope of the EMF curve is certainly not zero, though it may be slightly less than in the figures.

도 4는 사이클링 시 배터리에 수집된 인시추 XRD 결과를 보여준다. 삽입/추출은 단상 LixFePO4(O≤x≤l)의 존재를 증명하는, 셀 파라메터의 연속적인 전개로 LiFePO4에서 FePO4로 진행된다는 것이 도 5에 명백하게 나타나있다. 또한 사이클링시 이러한 단상 메카니즘의 양호한 가역성이 강조되어 있다.Figure 4 shows the in situ XRD results collected on the battery during cycling. It is evident in FIG. 5 that the insertion / extraction progresses from LiFePO 4 to FePO 4 with successive evolution of cell parameters, demonstrating the presence of single phase Li x FePO 4 (O? X ? L). It also emphasizes good reversibility of this single phase mechanism during cycling.

반대 실시예Counter-example

반대 실시예로서 WO2007/000251에서 설명하고 있는 실시예에 따라서 물질을 합성하였다. 본 발명에 따른 실시예와 비교해서 반응물(reactant)의 첨가 순서는 상이하며; 이러한 변화는 침전된 물질의 최종 입자 크기와 관련하여 매우 중요한 것이며, 후자는 상술한 종래기술에 따라 침전된 생성물에 있어서 약 130 내지 150 nm라는 것을 주의해야 한다. 본 발명과 종래기술 사이의 차이는 이미 고정되고 6.5 내지 7.5의 안정한 pH를 갖는 용액에 Fe-전구물질을 첨가한다는 것이며; 종래기술에서는 Fe-전구물질을 pH 6 이하의 용액에 첨가하고 이후에 Li-전구물질의 첨가로 pH가 약 7로 올라간다는 것이다. Fe-전구물질은 또한 고체 형태로 첨가할 수도 있다.As an opposite example, a material was synthesized according to the embodiment described in WO 2007/000251. The order of addition of the reactants is different compared to the embodiment according to the invention; It should be noted that this change is very important with respect to the final particle size of the precipitated material, the latter being about 130 to 150 nm for the precipitated product according to the prior art described above. The difference between the present invention and the prior art is that the Fe precursor is already added to a solution having a fixed pH of 6.5 to 7.5, In the prior art, the Fe-precursor is added to a solution below pH 6 and then the pH is increased to about 7 by the addition of the Li-precursor. Fe-precursors may also be added in solid form.

또한, XRD 패턴으로부터의 리트벨트 정련법(Rietveld refinement)에 의해서 특성 분석하면 수득된 반대 실시예 물질의 결정학적 셀 부피가 291.7 ų으로 나타났다. Characteristic analysis by Rietveld refinement from the XRD pattern showed that the crystallized cell volume of the material of the opposite example obtained was 291.7 Å.

이러한 물질로 배터리를 상기에서 기재한 것과 같이 제조하였다. 도 6에서는 상온 및 C/20 사이클링 레이트에서 종래기술 물질의 충전/방전 곡선을 보여준다. 2-상 Li 삽입/추출 메카니즘 특성을 가지는 일정한 전압 평탄부(constant voltage plateau)가 존재한다. 도 6의 곡선은 정전류 조건에서 기록되었으며, 따라서 셀의 EMF에 근접하게 된다는 것이 강조되어 있다. 이 경우에서 EMF는 일정하며 Li 삽입/추출 함수로서 EMF의 기울기는 사실상 제로이다.A battery of this material was prepared as described above. Figure 6 shows charge / discharge curves of prior art materials at room temperature and C / 20 cycling rate. There is a constant voltage plateau with 2-phase Li insertion / extraction mechanism characteristics. It is emphasized that the curves of FIG. 6 were recorded under constant current conditions and thus are close to the EMF of the cell. In this case, the EMF is constant and the slope of the EMF as a Li insertion / extraction function is virtually zero.

도 7에서는 상이한 충전/방전 상태에서 기록된 인시추 XRD를 보여준다. 셀 파라메터의 전개는 도 8에 나타냈다. 이는 종래의 2-상 시스템을 명백하게 보여주며, 각 말단 멤버 FePO4 및 LiFePO4의 비율은 본 발명에 따른 생성물과는 반대로 물질 내의 리튬 농도에 따라 변화된다.FIG. 7 shows the in-situ XRD recorded in different charge / discharge states. The evolution of the cell parameters is shown in Fig. This clearly shows the conventional two-phase system, and the proportions of the end members FePO 4 and LiFePO 4 vary according to the lithium concentration in the material as opposed to the product according to the invention.

Claims (34)

활성 성분으로서 Lix(M,M')PO4를 포함하는 Li 삽입/추출 분말형 물질로서,As a Li insertion / extraction powder type material containing Li x (M, M ') PO 4 as an active ingredient, 상기 Lix(M,M')PO4에서, O≤x≤l이며, M은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 양이온이고, M'는 Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 선택적인 치환 양이온이며; 그리고"In PO 4, and O≤x≤l, M is at least one cation selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni and Cu, the M Li x (M, M) 'is Na, Mg, An optionally substituted cation selected from the group consisting of Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge and Sn; And 상기 활성 성분은, 0.2 내지 0.8의 값까지 변화하는 x에 대해, Li 삽입/추출 동안 25℃에서 열역학적으로 안정한 단상 물질인 것을 특징으로 하는 물질.Characterized in that the active ingredient is a single phase material thermodynamically stable at 25 占 폚 during Li insertion / extraction, for x varying from 0.2 to 0.8. 제 1 항에 있어서,The method according to claim 1, M은 Fe인 것을 특징으로 하는 물질.M is Fe. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,3. The method according to claim 1 or 2, M'에 대한 M의 몰 비율은 5 이상인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the molar ratio of M to M 'is at least 5. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 결정학적 셀 부피는 291 ų미만인 것을 특징으로 하는 물질.Characterized in that the crystallographic cell volume is less than 291 Å. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, 입자 크기 분포(d50)는 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the particle size distribution (d50) is 50 nm or less. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, 입자 크기 분포(d99)는 300 nm 이하인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the particle size distribution (d99) is 300 nm or less. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, (d90-d10)/d50 비율이 1.5 이하인 모노-모달(mono-modal) 입자 크기 분포인 것을 특징으로 하는 물질.(d90-d10) / d50 ratio is less than or equal to 1.5. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 결정학적 셀 부피는 290 ų이하인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the crystallographic cell volume is 290 Å or less. 제 2 항에 있어서,3. The method of claim 2, 결정학적 셀 부피는 289 ų이하인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the crystallographic cell volume is 289 Å or less. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, 입자 크기 분포(d50)는 10 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the particle size distribution (d50) is from 10 to 50 nm. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, 입자 크기 분포(d99)는 200 nm 이하인 것을 특징으로 하는 물질.Wherein the particle size distribution (d99) is 200 nm or less. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1, 2, and 4, (d90-d10)/d50 비율이 1.2 이하인 모노-모달 입자 크기 분포인 것을 특징으로 하는 물질.(d90-d10) / d50 ratio is 1.2 or less. 화학식 Lix(M,M')PO4에 따른 분말형 Li 삽입/추출 물질을 제조하는 방법으로서,A method for preparing a powdered Li insertion / extraction material according to the formula Li x (M, M ') PO 4 , 상기 화학식 Lix(M,M')PO4에서, O≤x≤l이며, M은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 양이온이고, M'는 Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 선택적인 치환 양이온이며, 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:"In PO 4, and O≤x≤l, M is at least one cation selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni and Cu, M the formula Li x (M, M) 'is Na, Mg The method comprising the steps of: (a) providing a first electrode comprising a first electrode, a second electrode, a first electrode, a second electrode, a first electrode, a second electrode, - Li(I) 및 P(V)로서 도입되는 Li 및 P 전구물질, 및 양극성 비양성자성 첨가제를 함유하며, pH가 6 내지 10인 제1 수계 혼합물을 제공하는 단계;Providing a first aqueous mixture containing a Li and P precursor introduced as Li (I) and P (V) , and a bipolar aprotic additive and having a pH of 6 to 10; - 상기 제1 수계 혼합물에 M(II)로서의 M 전구물질, 및 M' 전구물질을 첨가하여 제2 수계 혼합물을 수득하는 단계; 및- adding M precursor as M (II) , and M 'precursor to said first aqueous mixture to obtain a second aqueous mixture; And - 상기 제2 수계 혼합물을 대기압에서 이의 끓는점 이하의 온도로 가열하여 분말형 Li 삽입/추출 물질을 침전시키는 단계.Heating the second aqueous mixture to a temperature below its boiling point at atmospheric pressure to precipitate the powdered Li insertion / extraction material. 제 13 항에 있어서,14. The method of claim 13, Li(I) 중 일부 또는 전부는 LiOH·H2O로서 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.Any or all of the Li (I) is characterized in that which is introduced as LiOH · H 2 O. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, P(V) 중 일부 또는 전부는 H3PO4로서 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.Characterized in that some or all of P (V) is introduced as H 3 PO 4 . 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, 제1 수계 혼합물의 pH는 LiOH·H2O 대 H3PO4의 비율을 조정하여 수득되는 것을 특징으로 하는 방법.Characterized in that the pH of the first aqueous mixture is obtained by adjusting the ratio of LiOH.H 2 O to H 3 PO 4 . 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, M=Fe이며, M'는 없고, 상기 제1 수계 혼합물의 pH는 6.5 내지 8인 것을 특징으로 하는 방법.M = Fe, M 'is absent, and the pH of said first aqueous mixture is between 6.5 and 8. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, 양극성 비양성자성 첨가제는 제2 수계 혼합물의 대기 끓는점을 100 내지 150℃로 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the bipolar non-protonic additive raises the atmospheric boiling point of the second aqueous mixture to 100-150 &lt; 0 &gt; C. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, 양극성 비양성자성 첨가제는 디메틸설폭사이드인 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the bipolar non-protonic additive is dimethyl sulfoxide. 제 19 항에 있어서,20. The method of claim 19, 제1 수계 혼합물은 5 내지 50 몰%의 디메틸설폭사이드를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.Characterized in that the first aqueous mixture contains from 5 to 50 mol% of dimethylsulfoxide. 제 13 항에 있어서,14. The method of claim 13, Li 삽입/추출 분말형 물질을 비-산화 조건에서 가열하는 후-처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Lt; RTI ID = 0.0 &gt; Li &lt; / RTI &gt; insert / extract powdery material under non-oxidizing conditions. 제 21 항에 있어서,22. The method of claim 21, 후-처리 단계는 650℃ 이하의 온도에서 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the post-treatment step is carried out at a temperature of 650 ° C or less. 제 13 항에 있어서,14. The method of claim 13, 전자 전도성 물질 또는 이의 전구물질을 제 21 항에 따른 후-처리 단계 이전에 제1 수계 혼합물, 제2 수계 혼합물 및 분말 중 1개 이상에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.Characterized in that the electronically conductive material or precursor thereof is added to at least one of the first aqueous mixture, the second aqueous mixture and the powder prior to the post-treatment step according to claim 21. 제 23 항에 있어서,24. The method of claim 23, 전자 전도성 물질은 탄소인 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the electron conductive material is carbon. 제 24 항에 있어서,25. The method of claim 24, 전자 전도성 물질의 전구물질은 탄소계이고 중합가능한 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the precursor of the electron conductive material is carbon-based and polymerizable. 2차 Li계 배터리로서,As a secondary Li-based battery, 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드는 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리.An anode, an electrolyte, and a cathode, wherein the cathode comprises the material according to any one of claims 1, 2, and 4. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리용 전극 믹스(electrode mix).An electrode mix for a secondary Li-based battery, comprising a material according to any one of claims 1, 2 and 4. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 화합물의 80 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 액체 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스로서,An electrode mix for a secondary Li-based battery having a non-aqueous liquid electrolyte comprising at least 80% by weight of a compound according to any one of claims 1, 2 and 4, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량의 75% 이상의 가역 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 믹스.Has a reversible capacity of at least 75% of the theoretical capacity when used as the active component at the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V for Li + / Li at a discharge rate of 0.1 C at 25 占 폚. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 화합물의 80 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 겔-유사 폴리머 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스로서,An electrode mix for a secondary Li-based battery having a non-aqueous gel-like polymer electrolyte comprising at least 80% by weight of a compound according to any one of claims 1, 2 and 4, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량의 75% 이상의 가역 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 믹스.Has a reversible capacity of at least 75% of the theoretical capacity when used as the active component at the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V for Li + / Li at a discharge rate of 0.1 C at 25 占 폚. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 화합물의 70 중량% 이상을 포함하는, 비-수성 건조 폴리머 전해질을 가지는 2차 Li계 배터리용의 전극 믹스로서,An electrode mix for a secondary Li-based battery having a non-aqueous dry polymer electrolyte comprising at least 70% by weight of a compound according to any one of claims 1, 2 and 4, 25℃에서 0.1 C의 방전율로 Li+/Li에 대해 2.5 내지 4.5 V에서 사이클되는 캐소드에서 활성 성분으로 사용하는 경우에, 이론 용량의 75% 이상의 가역 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 믹스.Has a reversible capacity of at least 75% of the theoretical capacity when used as the active component at the cathode which is cycled at 2.5 to 4.5 V for Li + / Li at a discharge rate of 0.1 C at 25 占 폚. 활성 성분으로서 나노 크기 분말형 Lix(M,M')PO4를 포함하는 전극을 구비하는 2차 Li계 배터리로서,A secondary Li-based battery comprising an electrode comprising nano-sized powdery Li x (M, M ') PO 4 as an active ingredient, 상기 나노 크기 분말형 Lix(M,M')PO4에서, O≤x≤l이며, M은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 1개 이상의 양이온이고, M'는 Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 선택적인 치환 양이온이며; 그리고'And at PO 4, O≤x≤l and, M is at least one cation selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni and Cu, M the nano-sized powdered Li x (M, M)' is Wherein the cation is an optionally substituted cation selected from the group consisting of Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Zn, B, Al, Ga, Ge and Sn; And 25℃에서 배터리의 EMF에 대한 상기 전극의 기여는, 0.2에서 0.8까지 변화하는 x에 대해, 0.05 V 이상으로 충전 상태에 따라 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리.Wherein the contribution of the electrode to the EMF of the battery at 25 캜 is continuously changed in accordance with the state of charge to not less than 0.05 V for x varying from 0.2 to 0.8. 제 31 항에 있어서,32. The method of claim 31, M'에 대한 M의 몰 비율은 5 이상인 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리.Wherein the molar ratio of M to M 'is 5 or more. 제 32 항에 있어서,33. The method of claim 32, M은 Fe이며, M'는 없는 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리.M is Fe, and M 'is absent. 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,34. The method according to any one of claims 31 to 33, 나노 크기 분말형 활성 성분의 입자 크기 분포(d50)는 50 nm 이하인 것을 특징으로 하는 2차 Li계 배터리.Wherein the particle size distribution (d50) of the nano-sized powdery active component is 50 nm or less.
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